Волков А.В. , директор ООО «Кемопласт» Калашникова Н.К.,эксперт-физик ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в г. Москве» Курнавин С.А., гл. специалист экологического фонда развития городской среды «Экогород» Веретина И.А. , зам. начальника отдела Территориального управления Роспотребнадзора
Нередко из-за недостатка свободных площадей в крупных городах строительство жилых и общественных зданий производится вблизи линий метрополитена. Такие здания, как правило, испытывают повышенное вибрационное воздействие, и в соответствии с требованиями строительных и санитарных норм должны быть защищены от проникающих вибраций.
Для снижения вибраций имеется несколько возможностей:
- использование конструкций зданий и фундаментов, снижающих уровень проникающей вибрации;
- виброизоляция - применение эластичных элементов, устанавливаемых в несущих конструкциях (стенах, колоннах), под фундаментной плитой или в конструкциях пола;
- демпфирование колебаний;
- применение экранирующих устройств (траншей) в грунте.
В условиях динамического воздействия наиболее устойчивы к вибрациям конструкции из монолитного железобетона. По сравнению со зданиями из сборных железобетонных элементов они позволяют снизить уровни вибраций перекрытий на 5-8 дБ. Такое снижение обусловлено особенностями динамической работы монолитных конструкций, испытывающих не резонансы, а более «мягкие» резонансные явления. Наиболее приемлемой схемой здания в этом случае является колонный каркас, эффективность которого увеличивается с увеличением толщины плит перекрытий и уменьшением сечений колонн. В качестве фундамента всегда рекомендуется использовать сплошную монолитную железобетонную плиту, сглаживающую влияние неоднородностей грунтового основания и способствующую распределению колебаний по площади фундамента и, следовательно, их снижению. Монолитные здания, построенные для административно-общественных нужд, могут располагаться даже в непосредственной близости от тоннелей метро.
В качестве примеров можно привести административные здания, расположенные в Москве по улице Красная Пресня, д. 26 и Русаковской улице, д. 13. В первом случае 4-этажное монолитное здание располагается непосредственно над тоннелями мелкого заложения Таганско-Краснопресненской линии, а во втором случае 4-этажная часть монолитного здания располагается на расстоянии 7 м от тоннелей мелкого заложения Сокольнической линии метрополитена. В обоих зданиях за счет применения конструктивных мероприятий удалось обеспечить требования санитарных норм для административно-общественных помещений, а начиная с третьего этажа, и требований санитарных норм для жилых помещений в ночное время суток.
В здании по Русаковской ул. , 13 кроме рекомендаций по выполнению конструкций из монолитного железобетона было предложено установить между фундаментной плитой и консолями перекрытий подземной части в местах их контакта со «стеной в грунте» упругий виброизолирующий слой из материала «Sylomer» фирмы «Getzner» (Австрия) и выполнить внешние стены здания из легкого материала - пенобетонных блоков толщиной 300 мм и объёмным весом не более 600 кг/м3. В целях более эффективного снижения вибраций также рекомендовалось исключить жесткий контакт внешних стен с вышележащими перекрытиями.
В тех случаях, когда конструктивных мероприятий оказывается недостаточно, может быть использован второй способ - виброизоляция.
Этот способ имеет две разновидности. В первом случае виброизоляторы в виде резиновых, резинометаллических элементов или элементов на основе специальных эластомеров устанавливаются в горизонтальных деформационных швах под несущие стены и (или) колонны. Во втором случае упругий слой из специального эластомера укладывается на бетонную подготовку под фундаментную плиту.
При виброизоляции строительных конструкций для надежного снижения колебаний, в общем случае, должно выполняться два условия:
fo<fp/(2,Oj3,O), (1)
где f- частота настройки виброизолированной системы; для резиновых или резинометаллических виброизоляторов и специальных эластомеров f, как правило, не опускается ниже 8-10 Гц; f- первая наиболее низкая собственная частота колебаний перекрытий или других несущих элементов.
При установке здания на виброизоляторы или слой виброизолирующего материала приближенно f0 = Ц С/М, где C - общая жесткость виброизоляторов; М - масса здания, представляющая собой, в общем случае, функцию частоты М = М (w) .
И второе условие, отражающее волновые свойства длинномерных конструкций, например высоких зданий с монолитными несущими стенами:
f = C/2H > fв = 88 Гц, (2)
где fв - верхняя граничная частота высшей регламентированной октавной полосы, Гц; C - скорость распространения продольной волны в железобетоне; Н- высота здания, м.
В высоких зданиях на частотах выше f, зоны и строительные конструкции, удаленные от виброизоляторов за счет изменения фазы колебаний, «динамически отключаются» от виброизоляторов, что приводит к нарушению настройки виброизолированной системы и выведению ее в область малоэффективной и даже неэффективной работы. При этом надо учитывать, что на высокие здания оказывают влияние и ветровые нагрузки, которые в конструкциях на податливом виброизолированном основании могут вызвать значительные низкочастотные колебания сооружения.
В качестве примера качественной виброизоляции можно привести 6-этажное монолитное жилое здание по 1-му Колобовскому переулку, д. 14/4, расположенное вблизи тоннелей глубокого заложения Серпуховской линии метрополитена. Целью виброзащиты являлось обеспечение в жилых помещениях требований Московских городских строительных норм - МГСН 2.04-97 по критериям высшей категории комфортности «А». Для снижения вибраций в здании в целом под фундаментную плиту и на боковые поверхности фундаментных стен со стороны грунта был уложен специальный полиуретановый эластомер «Sylomer» производства фирмы «Getzner werkstoffe Gmbh» (Австрия) . Толщина виброизолирующего материала в несжатом состоянии под фундаментной плитой составила 37 мм, а на боковых поверхностях фундаментных стен - 25 мм. Расчет и подбор виброизолирующего материала выполнены фирмами «АРС», ЗАО «Моспромстрой» и «Getzner werkstoffe Gmbh» (Австрия) при участии ЭФРГС «Экогород» и ООО «Кемопласт».
Расчетная собственная частота колебаний виброизолированной системы при указанных толщинах составила 11,6 Гц.
Результаты контрольных замеров, выполненных после укладки виброизолирующего материала и возведения несущих конструкций, показали, что уровни вибраций в здании удовлетворяют требованиям МГСН 2.04-97. Средняя эффективность виброизоляции по первому и второму этажам наиболее близкого к линии метро угла здания по сравнению с прогнозируемыми величинами составила: в октаве 31, 5 Гц - 5, 0 дБ (1, 8 раза) , в октаве 63 Гц - 12,1 дБ (4,0 раза) . Несмотря на достаточно высокую расчетную частоту настройки виброизолированной системы, в октаве 16 Гц не обнаружено увеличения колебаний по сравнению с прогнозируемыми величинами. Однако в связи с недостаточной проработкой отдельных элементов и, как следствие, образованием «акустических мостиков» в помещениях над возведенными впоследствии лестничными входами было отмечено некоторое относительное увеличение вибраций.
К способу виброизоляции относится также применение различных конструкций «плавающего пола», в том числе на деревянных лагах и железобетонных плитах. Работа этих конструкций имеет тот же принцип, что и работа зданий на виброизоляторах. Как показывает практика, при частоте настройки 8-10 Гц «плавающий пол» в силу своей более простой схемы, а значит, более точной настройки способен обеспечить лучшую эффективность, чем установка зданий на виброизоляторы. Недостатком «плавающего пола» является малое снижение уровней структурного шума, из-за чего может потребоваться дополнительная акустическая обработка помещений. В то же время установка «плавающего пола» - практически единственный способ снижения вибраций в высотных сооружениях и реконструируемых зданиях, где производится замена старых перекрытий на железобетонные с сохранением несущих стен.
Виброзащита с применением «плавающего пола» была применена в реконструируемых жилых домах, расположенных по Русаковской улице на расстоянии 7 м от тоннелей мелкого заложения Сокольнической линии.
Конструкция пола представляла собой деревянные лаги, под которые были установлены прокладки из материала «Sylomer» толщиной 50 мм. На лаги для увеличения жесткости укладывался дощатый настил - 40 мм и верхнее покрытие в виде древесно-волок-нистых плит и линолеума. Расчет упругих прокладок выполнялся на нагрузку 190 кгс/м2 (собственный вес пола - 40 кгс/м2 и нормативная полезная нагрузки - 150 кгс/м2) . Расчетная частота настройки виброизолированной системы составила 8-9 Гц. Контрольные замеры вибраций при отсутствии полезной нагрузки в помещениях и пригрузке места измерений человеком составила в октаве со среднегеометрической частотой 31,5 Гц около 10 дБ.
«Sylomer» - это современный полиуретановый материал, разработанный и выпускаемый фирмой «Getzner werkstoffe Gmbh» (Австрия) , используемый для виброизоляции зданий, железнодорожных путей, машин и оборудования. Фирма имеет 30-летний опыт виброизоляции зданий и железнодорожных линий и выпускает несколько различных видов материалов, имеющих высокие показатели коэффициента потерь и способных воспринимать высокие динамические и статические нагрузки при продолжительном сроке эксплуатации.
Поскольку основной вклад в вибрацию перекрытий вносят собственные колебания, и особенно, колебания на первой собственной частоте, одним из направлений снижения вибраций является демпфирование. Так как резонанс представляет собой процесс, при котором упругие силы компенсируются инерционными силами, размах колебаний перекрытий на собственных частотах определяется исключительно показателями внутреннего трения. Для снижения резонансных колебаний могут использоваться конструкционныематериалы с высокими коэффициентами потерь. Замечено, что резонансные колебания перекрытий с уложенной на них цементной стяжкой и полом из керамической плитки в монолитных зданиях снижаются до 5 дБ, а в панельных домах - до 7 дБ. Также отмечено, что уложенные на перекрытие мешки с порошкообразной краской (панельный дом серии П4 4) практически полностью демпфируют резонансные колебания.
Поскольку демпфирование колебаний строительных конструкций и демпфирующие свойства строительных материалов изучены мало, в настоящее время трудно рекомендовать какое-либо надежное средство снижения вибраций. Возможно, в уменьшении вибрации при применении цементной стяжки важную роль играет поверхностное трение, которое возникает в так называемом «холодном» шве.
Суть способа применения экранирующих устройств в грунте заключается во введении в грунтовый массив существенной неоднородности, обеспечивающей отражение волн, в том числе рэлеевс-ких, распространяющихся от поверхностного или мелко заглубленного транспортного источника. Для эффективного снижения колебаний глубина экранирующей траншеи должна быть приблизительно равна длине рэлеевской волны, а внутреннее пространство между стенками траншеи должно быть пустым или заполненным низкомодульным материалом. Основание траншеи не должно иметь жесткого передаточного звена, так называемого «акустического мостика».
В отечественной практике имеется положительный опыт использования экранирующих устройств, реализованный в конце 70-х годов при защите жилого здания, расположенного по ул. Маршала Бирюзова. После заполнения пространства траншеи частицами грунта и сточными водами ее эффективность оказалась практически нулевой. Второй и последний отечественный опыт экранирования волн при защите жилого дома, расположенного в Новопесковском переулке, от наземного участка Филевской линии метрополитена оказался отрицательным. Траншея, расположенная непосредственно перед фундаментной стеной здания, грунт в которой по всему контуру удерживается бетонной стеной, не обеспечила сколь-нибудь значимую эффективность.
Выполненные в институте транспортного строительства (ныне ОАО «ЦНИИС») расчеты конструкций экранирующих траншей по виброзащите жилых зданий, расположенных вблизи тоннеля мелкого заложения на одном из участков Московского метрополитена, показали, что максимальная эффективность траншеи, заполненной вспененным полистиролом со скоростью продольной волны 600 м/с, составляет в октаве 31,5 Гц около 6 дБ (2 раза) . Учитывая высокую стоимость сооружения экрана, а также необходимость, в большинстве случаев, перекладки подземных коммуникаций, этот способ в современных условиях городского строительства не находит применения.